随着我国航天事业的飞速发展,高性能的飞轮调速系统作为航天器姿态控制的常用执行机构已然成为研究开发的重点。采用无铁心低感无刷直流电机替代传统电机驱动飞轮转子,能够使飞轮调速系统的转速范围、性能与效率得到提高,具有广阔的发展前景。本文针对飞轮调速系统的项目需求,通过对低感无刷直流电机驱动策略和飞轮宽调速系统锁相环回路的研究与分析,设计并实现了飞轮用低感无刷直流电机宽调速驱动系统。首先,本文对研究控制对象——飞轮调速系统进行了建模与分析。在介绍其基本结构与工作原理的基础上,以系统中的低感无刷直流电机为重点对飞轮调速系统进行了数学建模研究,并建立了基于Simulink的飞轮调速系统仿真模型。针对飞轮调速系统驱动电机的绕组电流波动进行了理论分析,确定了针对低感无刷直流电机的三种改进驱动策略的方向。其次,对低感无刷直流电机提出了三种改进驱动策略,在仿真分析、验证的基础上,提出了结合三种策略优势的新型驱动方案。针对PWM倍频调制策略阐释了其基本原理,并进行了仿真建模,证明了该策略能获得更小的绕组电流纹波和电磁转矩脉动,并指出了倍频调制策略优缺点与其适用范围。针对基于超前角控制的串入电感驱动策略,在仿真模型中实现了超前角控制,证实了该策略可降低电磁转矩脉动,提高驱动性能。针对可调直流母线电压驱动策略,采用了降压斩波电路作为拓扑结构,通过理论计算确定了核心元件的参数,经过电路原理和仿真分析,确定了双级降压斩波电路的具体形式与前级闭环后级开环的母线调压控制策略,并通过母线调压调速仿真证明了该策略的可行性。在上述研究的基础上,提出了综合三者优势的低感无刷直流电机新型驱动策略。然后,对基于锁相环的飞轮宽调速系统进行了建模、设计与仿真分析。建立了飞轮系统的锁相环伺服控制回路数学模型,证明了三型锁相环系统理论上能够无差跟踪速率斜坡信号,对各环节进行优化设计,提高了系统的稳定性与动态性能。搭建了基于锁相环的飞轮宽调速系统仿真模型,验证了所设计的飞轮系统稳速精度优于0.01%,对宽范围速率斜坡信号具有良好的调速跟踪性能。最后,设计并实现了飞轮用低感无刷直流电机宽调速驱动系统,完成了系统的基本调试,验证了所采用技术方案的合理性和有效性。经过电路参数计算、芯片选型与电路绘制完成了驱动系统的硬件电路设计。软件算法重点实现了基于FPGA的霍尔转子位置预估算法与锁相环控制算法,通过Modelsim时序仿真与频率特性仿真验证了上述算法的正确性。进行了驱动系统调试与实验分析,通过双级闭环可调直流母线电压输出实验验证了系统各部分电路设计的正确性与工作稳定性,同时证明了已实现的闭环可调直流母线电压驱动策略具有良好的输出特性与动态性能。